(57)【要約】【課題】トンネル効果とは異なる原理による、直線性の良い負性抵抗２端子素子を提供する。【解決手段】磁化自由層（３３）と、磁化自由層がもつ磁気モーメントよりも大きな磁気モーメントを有する磁化固定層（３１）と、磁化自由層と磁化固定層との間に設けられた中間層（３２）とを有する磁気抵抗素子を具備する負性抵抗素子である。磁化固定層側から電子が流れ込むように磁気抵抗素子に印加される電流の上昇につれて磁化自由層の磁化方向の変化が連続的に引き起こされることにより負性抵抗を示すことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層と、
前記磁化自由層がもつ磁気モーメントよりも大きな磁気モーメントを有する磁化固定層と、
前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に設けられた中間層と
を有する磁気抵抗素子を具備し、
前記磁化固定層側から電子が流れ込むように前記磁気抵抗素子に電流を印加して、該電流の変化につれて前記磁化自由層の磁化方向の変化が連続的に引き起こされることにより負性抵抗を示すことを特徴とする負性抵抗素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子に電流が印加されない状態における前記磁化自由層の磁化方向と前記磁化固定層の磁化方向とがなす角が鈍角であることを特徴とする請求項１記載の負性抵抗素子。
【請求項３】
前記磁気抵抗素子に電流が印加されない状態における前記磁化自由層の磁化方向と前記磁化固定層の磁化方向とがなす角が安定的に鈍角となるよう、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する手段を具備する請求項１記載の負性抵抗素子。
【請求項４】
前記磁気抵抗素子の磁化自由層側に設けられた第１の電極層と、
前記磁気抵抗素子の磁化固定層側に設けられた第２の電極層と
を具備することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の負性抵抗素子。
【請求項５】
前記磁界を印加する手段が永久磁石層からなり、
前記永久磁石層と、前記磁気抵抗素子並びに前記第１及び第２の電極層とを絶縁する絶縁層を具備することを特徴とする請求項４記載の負性抵抗素子。
【請求項６】
前記中間層が、前記磁気抵抗素子に外部磁界が印加されない場合に前記磁化自由層の磁化方向と前記磁化固定層の磁化方向とがなす角が安定的に鈍角となるような厚さを有することを特徴とする請求項１記載の負性抵抗素子。
【請求項７】
前記磁気抵抗素子の磁気抵抗比が１００％以上であることを特徴とする請求項１記載の負性抵抗素子。
【請求項８】
前記磁化固定層に隣接して反強磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の負性抵抗素子。
【請求項９】
前記磁化固定層に隣接して反強磁性層、強磁性層及び非磁性層の積層構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の負性抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からエサキダイオードに代表されるトンネルダイオードが負性抵抗素子として知られている（例えば、特許文献１）。トンネルダイオードが示す負性抵抗はトンネル現象に由来するものであり、例えばエサキダイオードの場合、PN接合型ダイオードにおいてP型およびN型の不純物濃度を高くすることで実現されている。
【０００３】
図１は各種材料（Ｇｅ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、ＧａＡｓ）で作製されたエサキダイオードの電流−電圧特性を示す。これらの特性を模式的に示すと図２のようになる。図２中の２１は電流−電圧特性中に現れる負性抵抗領域を表している。このように特異な電気伝導特性である負性抵抗を示す素子は、発振器、増幅器、ミキサ、スイッチング素子などへの応用が可能である。
【０００４】
また、第１の強磁性層、絶縁体層及び第２の強磁性層が積層された強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子を磁気メモリ素子として利用することが提案されている（例えば、特許文献２）。当該磁気抵抗効果素子もまた負性抵抗領域を含む電流−電圧特性を有する。
【特許文献１】特公昭３５−００６３２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エサキダイオードの電流−電圧特性は、トンネル電流、過剰電流、拡散電流の三つの異なる成因をもつ電流成分の和で表されることになる。そのため、直線性のよい領域だけでなく、広い範囲にわたって図２の領域２２のような非線形領域を示してしまう。このような非線形領域の存在により、発振器、増幅器、ミキサ、スイッチング素子などへの応用の際、安定した利得を得ることができないという問題が生じる。
【０００６】
また、エサキダイオードにおいては、負性抵抗が現れる電圧領域は材料のバンドギャップにより決定される。したがって、負性抵抗が発現する電圧領域は材料により決定されてしまい、同一の材料を利用して様々な電流−電圧特性をもつ負性抵抗素子を作製することはできない。
【０００７】
特許文献２に開示される強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子もまた負性抵抗を示すが、エサキダイオードと同様、その電流−電圧特性には大きな非線形領域が存在してしまう。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、トンネル効果とは異なる原理によって負性抵抗を生じる2端子型負性抵抗素子を提供し、直線性のよい負性抵抗領域をもつ素子を実現することを目的とする。また、同一の材料を利用して多様な電流−電圧特性をもつ素子を作製することを可能にし、様々な分野に柔軟に応用できる負性抵抗素子を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
磁化自由層、中間層及び磁化固定層からなる磁気抵抗素子において、磁化自由層と磁化固定層の磁化方向がなす角が鈍角（好ましくは反平行）である場合に、電流を磁化自由層側から磁化固定層側に流し、スピントルクによって生じる磁化自由層の磁化反転を有効磁界によって抑制することで、磁化反転を連続的に引き起こし、磁気抵抗素子の示す電流−電圧特性中に負性抵抗を生じさせる。
【００１０】
本発明の負性抵抗素子は、磁化自由層と、磁化自由層がもつ磁気モーメントよりも大きな磁気モーメントを有する磁化固定層と、磁化自由層と磁化固定層との間に設けられた中間層とを有する磁気抵抗素子を具備し、磁化固定層側から電子が流れ込むように磁気抵抗素子に電流を印加して、該電流の変化につれて磁化自由層の磁化方向の変化が連続的に引き起こされることにより負性抵抗を示すことを特徴とする。
【００１１】
また、磁気抵抗素子に電流が印加されない状態における磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とがなす角が鈍角であることを特徴とする。
【００１２】
この目的のため、本発明の負性抵抗素子は、磁気抵抗素子に電流が印加されない状態における磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とがなす角が安定的に鈍角となるよう、磁気抵抗素子に磁界を印加する手段を具備するように構成してもよい。
【００１３】
さらに、本発明の負性抵抗素子は、磁気抵抗素子の磁化自由層側に設けられた第１の電極層と、磁気抵抗素子の磁化固定層側に設けられた第２の電極層とを具備してもよい。
【００１４】
さらに、磁界を印加する手段が永久磁石層からなり、永久磁石層と、磁気抵抗素子並びに第１及び第２の電極層とを絶縁する絶縁層を具備するように負性抵抗素子を構成してもよい。
【００１５】
別の態様として、磁界を印加する手段を有さない構成も可能である。この場合、負性抵抗素子は、磁気抵抗素子に外部磁界が印加されない場合に磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とがなす角が安定的に鈍角となるような厚さを上記中間層が有するように構成される。
【００１６】
また、磁気抵抗素子の磁気抵抗比は、好ましくは１００％以上である。
【００１７】
さらに、磁化固定層に隣接して反強磁性層を形成したり、反強磁性層、強磁性層及び非磁性層の積層構造を形成したりすることにより、磁化固定層の磁化方向を固定してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、負性抵抗の発現原理がバイアス電流の加減による磁化のつりあいの位置のずれに起因するものであるため、従来の負性抵抗素子と比較してより直線性のよい負性抵抗領域をもつ負性抵抗素子を提供することができる。また、同一の材料を利用して多様な電流−電圧特性をもつ素子を作製することを可能にし、様々な分野に柔軟に応用できる負性抵抗素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、磁気抵抗素子において電子スピン注入により引き起こされる磁化反転を抑制することによって、磁化方向の連続的な変化を起こさせるものである。こうすることで、電流−電圧特性中に負性抵抗領域が現れ、磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子が実現される。
【００２０】
本発明により実現される負性抵抗の諸特性のうち、特性電圧（負性抵抗の開始電圧）の値はスピン注入磁化反転を起こす臨界電流値によって決定され、電流比（電流−電圧特性におけるピークバレイ比）は磁気抵抗素子の示す磁気抵抗比によって決まる。本発明により実現される負性抵抗領域は、磁化のつりあいの位置の連続的な変化に起因するものであるために、従来の負性抵抗素子と比較して直線性が改善される。
【００２１】
まず、図３を参照して、本発明の負性抵抗素子として利用される磁気抵抗素子の構成について説明する。磁気抵抗素子３０は、磁化固定層３１、中間層３２及び磁化自由層３３からなり、中間層３２が磁化固定層３１及び磁化自由層３３の間に配置された構造を有する。図３において、磁化固定層３１と磁化自由層３３の磁化の向きが矢印３４で表されている。以下、本明細書において、「磁化自由層」及び「磁化固定層」という用語は、磁化自由層の磁気モーメントが磁化固定層の磁気モーメントよりも小さいものとして定義される。
【００２２】
磁気抵抗素子３０は、これに印加する電流を適切に制御することにより、負性抵抗素子として機能する。一例として、図３中の矢印３４のように磁化自由層３３の磁気モーメントが磁化固定層３１の磁気モーメントと反平行状態にある場合には、磁化固定層３１から磁化自由層３３側へと電子を流れ込ませるべく、磁化自由層３３側から電流が流れ込むよう、磁気抵抗素子３０に電流を印加する。
【００２３】
さらに、磁気抵抗素子３０に印加される電流が徐々に上昇するよう電流制御を行う。これにより、磁化自由層の磁気モーメントはスピントルクを受けて磁化反転を起こそうとする。これに対して、磁化反転を起こす向きと反対側に磁場を印加すると、この磁化反転は抑制される。そのため、臨界電流値に達しても反平行状態から平行状態へのスイッチングは起こらず、磁化の平均の位置が反平行状態から少しずれる。さらに、印加電流を上昇させると、より大きなスピントルクが働くため、平均の位置は連続的にずれていき、平行状態へと近づいていく。
【００２４】
以上のように、本発明によれば、磁気抵抗素子３０において印加電流を連続的に上昇するよう制御することにより、磁化自由層３３の磁化反転が連続的に起こるような状態（すなわち、磁化固定層３１の磁気モーメントに対する磁化自由層３３の磁気モーメントの方向が、平行状態へと連続的に変化する状態）が生じる。制御電流の連続的な上昇（減少）に伴って素子３０の抵抗値も連続的に上昇（減少）するために微分抵抗値が負となり、負性抵抗を実現できる。
【００２５】
なお、このようにスピン注入磁化反転で磁化反転を起こすためには、本明細書における上述の定義のとおり、磁化反転を起こす磁化自由層３３（強磁性層）の磁気モーメントを磁化固定層３１の磁気モーメントよりも小さくする必要がある。
【００２６】
さらに、本願発明者は、磁気抵抗素子３０を利用した負性抵抗素子の実現にとって重要な条件を見出した。当該条件を見出した実験につき以下に説明する。
【００２７】
本発明に利用可能な磁気抵抗素子として、人工反強磁性結合（Synthetic-anti-ferrocoupling）を磁化固定層に設けたスピンバルブ構造の磁気抵抗素子４０を図４に示す。磁気抵抗素子４０は、白金マンガン（ＰｔＭｎ）からなる反強磁性層４１、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなる強磁性層である第１の磁化固定層４２、ルテニウム(Ｒｕ）からなる非磁性層４３、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）からなる強磁性層である第２の磁化固定層４４、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる非磁性層（中間層）４５及びＣｏＦｅＢからなる磁化自由層４６が積層された構造を有する。第２の磁化固定層４４、中間層４５及び磁化自由層４６が図３の磁化固定層３１、中間層３２及び磁化自由層３３にそれぞれ該当する。第１の磁化固定層４２、非磁性層４３及び第２の磁化固定層４４は合成反強磁性結合を構成する。反強磁性層４１、第１の磁化固定層４２及び非磁性層４３を第２の磁化固定層４４に隣接して形成することにより、第２の磁化固定層４４の磁化方向を固定している。別の構成として、反強磁性層４１のみを第２の磁化固定層４４に隣接するように形成してもよい。
【００２８】
以下、本実施例において、磁気抵抗素子４０の膜面方向（膜面と平行な方向）の形状は、縦横とも約１００ｎｍの正方形状とした。また、各層の厚さは、反強磁性層４１が１５ｎｍ、第１の磁化固定層４２が３ｎｍ、非磁性層４３が０．８５ｎｍ、第２の磁化固定層４４が３ｎｍ、中間層４５が１．１ｎｍ、磁化自由層４６が２ｎｍとした。磁化自由層４６の膜厚を第２の磁化固定層４４よりも薄くすることにより、磁化自由層４６の磁気モーメントが第２の磁化固定層４４の磁気モーメントよりも小さくなるようにしている。
【００２９】
このスピンバルブ構造の磁気抵抗素子４０の抵抗−外部磁界（Ｒ−Ｈ）特性を図５に示す。磁気抵抗素子４０に、ヒステリシス領域５１の内側の外部磁界を印加する場合（例えば、外部磁界が０の場合）、磁化自由層４６と磁化固定層４７の磁化方向は、平行状態（抵抗値が低い状態）と、反平行状態（抵抗値が高い状態）のどちらでも安定点として選ぶことができる。以下、本実施例においては、磁化自由層４６と磁化固定層４７の磁化方向が反平行となる状態とした上で磁気抵抗素子４０の電流−電圧特性の測定を行うものとする。
【００３０】
まず、当該磁化方向が反平行状態で安定になるように外部磁界を印加し、その後外部磁界を印加しない状態（外部磁界が０の状態）で電流−電圧特性の測定を行った。測定結果を図６に示す。磁気抵抗素子４０を流れる電流値が磁化自由層４６の臨界電流値に達して、磁化自由層４６において磁化反転が始まると、図６のように磁気抵抗素子４０の抵抗値がランダムに変化し、明瞭な負性抵抗が観測されなかった。これは、本実験条件の有効磁界においては図５のように平行状態も反平行状態も安定状態としてとりえるので、バイアス印加によって生じる熱エネルギーを受けて、平行状態から反平行状態、あるいは反平行状態から平行状態へのジャンプが生じてしまい、磁化反転が連続的に引き起こされないためであると考えられる。
【００３１】
この実験により、磁気抵抗素子が感じる有効磁界の値がＲ−Ｈ特性のヒステリシス領域（例えば、図５の５１）の内側にある場合、つまり磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とが平行である状態と反平行である状態の両方において安定点をとりうる場合には、印加電流の制御によって良好な負性抵抗を実現することができないということが見出された。
【００３２】
次に、図４の磁気抵抗素子４０に印加する外部磁界を図５の５２に示すように設定し、反平行状態のみを安定点として取りえる状況において電流−電圧特性を測定した。測定結果を図７に示す。このように、徐々に上昇するよう印加電流を制御し、さらに外部磁界による磁化反転の抑制をすることで、磁化自由層における反平行状態から平行状態への磁化方向の連続的な変化を生じさせることができ、負性抵抗が実現される。図７中の負性抵抗領域は良好な直線性を示しており、従来の負性抵抗素子と比較して非線形性の問題が改善されている。このように、本願発明による磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子は、適切な印加磁界を設定することによって安定した負性抵抗を示すことができ、発振器、増幅器、ミキサ、スイッチング素子などへの応用の際、安定した利得を得ることができる。
【実施例１】
【００３３】
上述のように、本発明において安定した負性抵抗を得るためには、負性抵抗素子において利用する磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向が磁化固定層の磁化方向に対して反平行な状態のみが安定点として存在する状態にする必要がある。
【００３４】
このような条件を満たす負性抵抗素子の一例を図８に示す。図８の負性抵抗素子８０は、磁化固定層８１、中間層８２及び磁化自由層８３からなる磁気抵抗素子８９と、当該磁気抵抗素子８９に電流を印加するための電極層８４及び８５とを具備する。電極層８４及び８５は銅や金などの導電性の高い金属からなる。さらに、磁気抵抗素子８９の近傍に、磁気抵抗素子８９に対して外部磁界を印加する手段を具備している。例えば、磁気抵抗素子８９の片側に永久磁石層８７を設け、永久磁石層８７と電極層８４、８５及び磁気抵抗素子８９との間でショートを起こさないように、絶縁層８６を設ける。
【００３５】
図８において、磁化固定層８２の磁気モーメントの向きは矢印８８で示すように右向きとしている。上述のとおり、磁化自由層８３の磁化方向が磁化固定層８１の磁化方向に対して反平行な状態のみが安定点として存在する状態とする必要があるので、図８においては、永久磁石層８７の磁気抵抗素子８９に近い側がＮ極、遠い側がＳ極となるようにしている。このような構成により、磁化固定層８１の磁気モーメントの向き（矢印８８の向き）と逆向きに外部磁界をかけることができ、磁化自由層８３の磁気モーメントが磁化固定層８１の磁気モーメントに対して反平行状態になるように外部磁界を印加することができる。電極層８４及び８５を介して磁化固定層８１側に電流が流れ込むように磁気抵抗素子８９に電流を印加し、当該印加電流を上昇していくように制御することにより、素子８０は負性抵抗素子として機能する。
【００３６】
本実施例の負性抵抗素子において、永久磁石層８７は磁気抵抗素子８９の片側に配置するだけでも機能するが、磁気抵抗素子８９の両側に配置することも可能である。このような構成の負性抵抗素子を図９に示す。図９の負性抵抗素子９０は、図８の磁気抵抗素子８９と、電極層８４及び８５と、磁気抵抗素子８９の両側に配置された永久磁石層８７ａ及び８７ｂと、絶縁層８６ａ及び８６ｂとを具備する。磁化固定層８１の磁気モーメントの向きは矢印９８により示される。永久磁石層８７ａの磁気抵抗素子８９に近い側をＮ極とし、永久磁石層８７ｂの磁気抵抗素子８９に近い側をＳ極としている。図９の構成によれば、図８の構成と比較して、磁束がより揃った磁界を磁気抵抗素子８９に印加することが可能である。
【００３７】
以上、本実施例の負性抵抗素子は、電流を印加しない状態における磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とが反平行状態（つまり、これらの磁化方向のなす角が１８０°）であるものとして説明された。しかし、本実施例の負性抵抗素子はこのような構成に限定されるものではなく、上記２つの磁化方向のなす角が鈍角であればよい。これにより磁化自由層の磁気モーメントにスピントルクが働き、負性抵抗を実現することができる。
【実施例２】
【００３８】
上記実施例１においては、磁気抵抗素子に外部磁界を印加することにより磁化自由層と磁化固定層の磁化方向が反平行状態のみで安定となる状態を実現し、磁化自由層の磁化反転の抑制を行い、これによって磁化反転が連続的に起こるようにした。しかし、磁化反転の抑制は、外部磁界を印加することなく、抵抗−外部磁界特性におけるヒステリシス領域のシフトを利用することによっても達成できる。
【００３９】
図４に示すスピンバルブ構造の磁気抵抗素子４０に基づいて説明する。磁気抵抗素子４０の中間層４５の膜厚を変える（厚くしたり薄くしたりする）ことによって、図５に示すヒステリシス領域５１がグラフ上で左右にシフトする。図５の場合と比較して中間層４５の膜厚を１．１３ｎｍ程度と薄くした場合の抵抗−外部磁界（Ｒ−Ｈ）特性を図１０に示す。ヒステリシス領域１０１が、平行状態をより好む方向（グラフの右方向）にシフトすることが分かる。
【００４０】
このようなシフトが生じるのは、磁化固定層４７と磁化自由層４６がダイポールカップリングによる反強磁性的結合を起こすためである。
【００４１】
図１０のＲ−Ｈ特性をもつ磁気抵抗素子４０の電流−電圧特性を図１１に示す。外部磁界は印加されていない。図１０のようにＲ−Ｈ特性におけるヒステリシス領域をシフトさせることにより、外部磁界を印加せずに反平行状態のみが安定点である状態を作ることができる。したがって、外部磁界がない状態でも実効的には磁化反転の抑制が起こり、連続的な磁化反転が生じるため、図１１に示すように、電流−電圧特性において負性抵抗領域が明瞭に現れる。このように、中間層の膜厚を適切に設定した本発明の磁気抵抗素子は、図８及び図９に示すような永久磁石層８７、９７ａ及び９７ｂがなくても負性抵抗素子として機能する。
【００４２】
なお、実施例１と同様、本実施例においても、電流を印加しない状態における磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とは必ずしも反平行でなくてもよく、鈍角であればよい。
【実施例３】
【００４３】
磁化自由層及び磁化固定層の磁化方向が平行である場合の磁気抵抗素子の電気抵抗をＲＰ、反平行である場合の電気抵抗をＲＡＰとすると、磁気抵抗素子の磁気抵抗比（ＭＲ比）は、（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰとして定義される。磁気抵抗比の大きさによって電流−電圧特性におけるピークバレイ比が決定される。そのため、大きな磁気抵抗比を示す磁気抵抗素子を用いることで、ピークバレイ比を大きくすることができ、発振器、増幅器、ミキサ、スイッチング素子などへの応用に適した負性抵抗素子が得られる。一方、磁気抵抗比が小さい場合には、たとえ磁化自由層における磁化の連続的な変化が起こっても、十分な負性抵抗特性が生じない場合がある。
【００４４】
ＭＲ比を約８０％とした場合の磁気抵抗素子４０に関して測定された電流−電圧特性を図１２に示す。このときの測定条件は、図７の測定時と同様に平行状態のみが安定点となるように外部磁界を印加し、素子４０に印加する電流の大きさを徐々に上昇させるというものである。図１２においては図６のようなランダムな変化は見られず、磁気抵抗素子４０において、磁化自由層４６の磁化方向が磁化固定層４７の磁化方向に対して反平行状態から平行状態に連続的に変化しているのがわかる。しかし、ＭＲ比が小さいために微分抵抗が負にならず、負性抵抗を示さない。
【００４５】
同じ条件のもと、ＭＲ比が約１００％である磁気抵抗素子４０に関して測定された電流−電圧特性を図１３に示す。ＭＲ比が１００％程度の大きさになると、磁気抵抗素子４０が明瞭に負性抵抗を示すことが分かる。このように、本発明において負性抵抗素子を実現するためにはある程度大きな磁気抵抗比が必要である。磁気抵抗比は約１００％以上であることが好ましい。
【００４６】
本発明において説明した磁気抵抗素子は、磁化固定層の上に中間層が形成され、その上に磁化自由層が形成される構造を有している。しかし、これらの層の配置は、磁化自由層及び磁化固定層により中間層を挟みこむ構造をしていればよく、磁化自由層と磁化固定層のいずれが上であっても構わない。本発明の磁気抵抗素子を利用した負性抵抗素子の動作の際には、既に述べたとおり、磁気抵抗素子に印加する電流を次第に大きくしていくという制御を行うことになる。このとき、磁化固定層側から電流が流れ込む方向（すなわち、磁化自由層側から電子が流れ込む方向）に電流を印加する必要がある。
【００４７】
なお、磁化自由層の膜面内方向（膜面に平行な方向）の大きさ（したがって、磁気抵抗素子の膜面内方向の大きさ）は、横、縦共に２００nm以下に設定するのが好ましい。これより大きい磁化自由層を用いると、スピン注入による磁化反転が生じない場合がある。
【００４８】
本発明の負性抵抗素子に利用する磁気抵抗素子の面内形状は、安定的な負性抵抗特性を得るため、略円形状もしくは略正方形状であることが好ましい。
【００４９】
なお、本発明の磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子において負性抵抗が発現する電流領域は、エサキダイオードとは異なり、材料のバンドギャップによって決定されない。本発明によれば、磁気抵抗素子に印加される外部磁界の大きさが異なるように負性抵抗素子を構成したり、また磁化自由層の磁気モーメントの大きさが異なるように負性抵抗素子を構成したりすることにより、磁化自由層が磁化反転を起こし始める臨界電流値の異なる負性抵抗素子を同じ材料を用いて実現することができる。したがって、本発明によれば、負性抵抗を発現する電流領域の異なる負性抵抗素子を同一の材料により作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】各種材料で作製されたエサキダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【図２】エサキダイオードの電流−電圧特性を示す模式図である。
【図３】本発明の負性抵抗素子として利用される磁気抵抗素子の構成を示す図である。
【図４】合成反強磁性結合を磁化固定層に設けたスピンバルブ構造の磁気抵抗素子の構成を示す図である。
【図５】スピンバルブ構造の磁気抵抗素子の抵抗−外部磁界特性を示す図である。
【図６】図４の磁気抵抗素子が平行状態で安定になるように外部磁界を印加し、その後外部磁界を印加しない状態において測定した電流−電圧特性を示す図である。
【図７】図４の磁気抵抗素子に平行状態のみを安定点として取りえる外部磁界を印加して測定した電流−電圧特性を示す図である。
【図８】磁界を印加する手段を具備する本発明の負性抵抗素子の構成の一例を示す図である。
【図９】磁界を印加する手段を具備する本発明の負性抵抗素子の構成の一例を示す図である。
【図１０】図５の場合と比較して中間層の膜厚を薄くした場合の抵抗−外部磁界特性を示す図である。
【図１１】図１０の抵抗−外部磁界特性をもつ磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】ＭＲ比が約８０％である図４の磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１３】ＭＲ比が約１００％である図４の磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
２１  負性抵抗領域
２２  非線形領域
３０  磁気抵抗素子
３１  磁化固定層
３２  中間層
３３  磁化自由層
３４  磁化固定層及び磁化自由層の磁化方向
４０  スピンバルブ構造の磁気抵抗素子
４１  反強磁性層
４２  第１の磁化固定層
４３  非磁性層
４４  第２の磁化固定層
４５  非磁性層（中間層）
４６  磁化自由層
４７  合成反強磁性結合
５１  ヒステリシス領域
８０  負性抵抗素子
８１  磁化固定層
８２  中間層
８３  磁化自由層
８４、８５  電極層
８６、８６ａ、８６ｂ  絶縁層
８７、８７ａ、８７ｂ  永久磁石層
８８  磁化固定層の磁気モーメントの方向
８９  磁気抵抗素子
９０  負性抵抗素子
９８  磁化固定層の磁気モーメントの方向
１０１  ヒステリシス領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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